走滑断裂带中挤压阶区内部剪切构造初探

野外地质调查和航片立体镜下解译发现,小江断裂带北段蒙姑和东支大营盘两个挤压阶区内部发育有剪切构造,它们在地表主要表现为断裂槽地、断层陡坎、地裂缝等。挤压阶区内部剪切构造和拉张阶区内部剪切构造一样,是阶区形成后,随着走滑断裂的进一步活动而形成的新生性构造     

断层阶区对产生超剪切地震破裂的促进作用

地震时若断层发生超剪切破裂,地震灾害会显著加剧.因此研究超剪切破裂的形成机理有着非常重要的科学意义.本文利用动力有限单元方法,模拟断层破裂从初始断层跳跃传播到另一条平行的次级断层（断层阶区）时破裂速度的变化情况,并分析断层阶区几何特征等物理参数对产生超剪切地震破裂的促进作用.计算结果表明,断层阶区的诸多物理因素（如：重叠长度、相隔距离以及摩擦系数等）都会对破裂的传播速度产生影响.在一定条件下,破裂传播速度会由在初始断层上的亚剪切波速度,转换为在次级断层上的超剪切波速度.在破裂速度转换过程中,断层间隔起着重要作用,当断层阶区中两断层垂直间隔距离小到一定程度时,破裂跳跃阶区后,破裂速度不会发生变化.所以对于分段断层（可视为一种特殊的断层阶区）,由于其断层垂直间隔为0,也就不会出现破裂速度变化的现象,模拟结果对此也进行了证实.然而,若断层间隔太大,当其距离超过一定的限度后,破裂通常无法跨越断层阶区继续传播,而是终止在初始断层上.模拟结果还表明,初始断层与次级断层之间的重叠距离也十分重要,只有当断层阶区中两平行断层之间的重叠部分达到一定长度后,断层的破裂速度才有可能发生转换.此外,计算结果显示,破裂过程中断层面上的应力变化可能是破裂传播速度发生转换的直接原因.最后,模拟还发现,当破裂跨越断层阶区发生速度转换时,破裂需要停顿一定的时间,以便积聚足够的能量来实现破裂速度的增快.

     

断层阶区对震源破裂传播过程的控制作用研究

地震破裂能否穿越断层阶区（stepover）引发更大震级的地震是震源动力学研究的重要内容.本文利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用.通过改变断层周边初始应力场、断层面上的摩擦本构关系以及断层阶区的间距大小来分析各个因素对破裂传播的影响,并定量分析产生这些影响的力学机制.模拟结果表明：断层面上的摩擦系数减小或断层周边区域内的初始剪应力增大,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,若断层阶区间距越小,断层破裂也越容易跳跃阶区传播.计算结果还显示：断层上的摩擦系数大、初始剪应力小、断层阶区间隔大,那么此阶区所在之处将可能是断层破裂的终止位置;相反,当断层面上的摩擦系数较小、初始剪应力较大、断层阶区间隔较小,破裂就容易穿越阶区而出现较大的地震.同时,从模拟结果可以看出,在发震断层破裂停止后,应力将继续向四周传播;当应力积累达到破裂极限时,触发断层阶区中的另一断层产生破裂,因此在破裂跳跃断层阶区的过程中存在一个时间延迟.最后,破裂能否跳跃断层阶区,可以利用库仑应力在空间的分布进行合理的解释.     

雁列式断层组合变形过程中的声发射活动特征

着重研究拉张或挤压型雁列式断层标本变形过程中声发射(简称AE，下同)的时空演化特征. 结果表明，预置构造对AE空间分布格局具有较强的控制作用，随着差应力的增加，AE首先在两个端点附近丛集，之后向两端点连线附近集中，出现明显的破裂局部化现象，较大事件还通常集中于某一端点附近反复发生. 前期微破裂丛集图象指示后期宏观破裂的扩展方向及扩展范围. 拉张和挤压型雁列区宏观破裂方向分别与轴向应力方向垂直和平行. 雁列式断层标本变形过程中，破裂前的弱化阶段相对较长、弱化过程明显. 微破裂事件累积频次指数增长可能是系统失稳前的典型征兆之一，而雁列区宏观破裂之后，AE数量逐渐减少、应变释放相对减弱. 摩擦滑动过程中，大的粘滑失稳前未见有AE活动前兆性的增强过程.雁列区的b值变化在失稳前显示趋势性降低——快速回升这一典型的变化过程，b值降低一般发生在差应力增强过程之中，并有可能延续至弱化阶段，而快速回升则一般发生在破裂失稳前的短时期内. 对比研究表明，构造差异所导致的b值差异远大于b值随差应力的增加而产生的变化量，而对同一构造标本，力学状态的改变会导致AE序列时序特征的急剧变化，较高的加载速率对应较高的应变能释放及明显的低b值. 先期破碎带由于较低的破坏强度，其对差应力的微小变化具有特殊敏感性，从而成为源、兆分离、窗口或敏感点效应等地震活动性前兆现象的一种可能的原因.      

新生破裂影响地震破裂跨越断层阶区传播过程的扩展有限单元法模拟

采用扩展有限元方法计算了断层阶区内介质产生的新生破裂对地震破裂跨越断层阶区传播过程的影响。模型中新生的断层扩展遵循最大剪应力破坏准则,当最大剪应力超过岩石的承受极限时,完整介质产生破裂形成新的断层,并且新断层的扩展方向为最大剪应力方向。扩展有限元法模拟结果表明,断层阶区内新生的断层改变了断层阶区的几何形态,同时也改变了断层破裂后的应力状态。新生破裂可以改变库仑应力在空间的分布格局,特别是可以提高断层上的应力水平,从而提高地震破裂跨越断层阶区的能力。模拟结果还显示,断层阶区内新生破裂的产生,可以使得地震破裂跨越10 km宽的断层阶区,若阶区内部介质没有产生新生破裂,则地震破裂无法跨越该断层阶区。本研究有助于进一步认识地震破裂跨越断层阶区的传播过程,特别是对地震震源过程分析及地震灾害评估等具有重要的科学意义。     

阶区对走滑型地震地表破裂带传播与终止行为的影响

系统收集了国内外28个走滑地震破裂带上阶区与地震破裂行迹的资料,利用数理统计的方法分析了阶区的类型、尺度与地震破裂的关系。结果表明,不同震级档的走滑地震阶区限制破裂传播的止裂尺度是不同的,震级MS为6.5~6.9,阶区的最小止裂宽度约为3km;震级MS为7.0~7.5,阶区的最小止裂宽度约为4km;震级MS为7.5~8.0,阶区的最小止裂宽度约为6km;震级MS为8.0~8.5,阶区的最小止裂宽度约为8km;且拉分阶区比挤压阶区更容易被破裂所贯通。上述给出的阶区的最小止裂宽度可作为判定地震破裂止裂尺度的重要标志,是进行破裂分段的前提和基础,对地震危险性分析具有重大的实用价值。     

断层失稳错动热场前兆模式：雁列断层的实验研究

在实验室使用红外热像仪和接触式测温仪同步观测记录了压性和张性雁列断层失稳错动前后的热场变化过程.从实验记录中发现,在断层失稳引起温度场和热红外辐射亮温温度场上升之前,在两断层段之间的岩桥区发生降温变化.断层带开始升温发生在失稳前2～3 s内,岩桥区的降温却发生在失稳前约20s,这两个超前时间长度相差近一个量级.此类热场先降后升变化过程在雁列构造变形中有一定的普遍性,可能作为雁列断层失稳错动的热场前兆模式.根据实验观测结果,详细描述了上述热场变化的时间过程及其空间分布特征,分析了产生此种失稳前兆模式的机制,显著异常出现的条件及有利观测部位,讨论了它在地震前兆探索等研究中的意义.     

断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

正地震过程伴随着岩体的破裂与断层的摩擦滑动失稳过程。断层的扩展与失稳过程一直是地震学研究的基本问题,观测变形过程物理场演化特征,建立失稳模式,对于理解和认识地震机制具有重要的参考和应用价值。地震过程可以简单地划分为地震孕育阶段、地震发生阶段和震后调整阶段。3阶段中,地震发生过程瞬间的记录尤其缺乏,特别是对地震瞬间的近场力学过程所知甚少。但是,短时间内,大面积提高现场地震力学过程瞬态场的观测具有相当难度。因此,在实验室模拟断     

青藏高原东北缘断层泥的研究

本文对青藏高原东北缘一些主要断裂（包括阿尔金、昌马、毛毛山等断裂）的断层泥首次进行了研究。在对断裂带的内部结构、围岩成分、断层泥的厚度及石英颗粒表面特征等综合分析的基础上对断裂的活动年代、活动方式及断层泥形成的深度进行了讨论。石英颗粒表面上溶蚀程度（颗粒表面的光滑程度、凹凸现象及孔洞发育情况）可划分为６种类型并且每种类型都有相应的年代。根据断裂的粘滑、蠕滑特征，对该区的各活动断裂进行了粘滑段与蠕滑段的划分。用红外光谱与稀土元素的分析结果，算得断层泥形成的深度在地壳１０ｋｍ范围内。     

剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动,研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现出较为规则的粘滑;当在剪切方向叠加位移扰动后,随扰动振幅的增加,粘滑发生时间与扰动的相关性增大,粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa;粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显,而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大;扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着,地震引起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化,也可能引起地震强度的变化     

大尺度雁列断层粘滑运动数值模拟

通过ANSYS软件建立二维雁列断层模型,采用粘弹性力学参数,建立摩擦系数接触单元,模拟10万年时间大尺度雁列走滑断层活动（地震相关活动）,分析挤压条件下的断层活动特征,研究结果表明：①断层时空区域不同,所受应力也不同,接近贯通区域重合地区所受应力较大,粘滑运动剧烈,由贯通区域向断层两侧逐渐延伸,所受应力依次减小;②摩擦系数越小,地震发生频率越高,地震运动周期越短,则位错量相对较小,易发生震级较小地震;摩擦系数越大,地震发生频率越低,地震运动周期越长,则位错量相对较大,易发生震级较大地震;③给定的边界挤压速率越大,地震发生频率越高,地震运动周期越短,则位错量增大,易发生震级较大地震。     

安徽霍山地区丛集地震事件揭示的三条地震断面及其滑动性质研究

为研究霍山地区丛集地震活动地震断面的几何形状及滑动性质, 本文基于安徽地震台网给出的2008年1月—2020年12月霍山区域内小震资料, 采用双差精定位方法对研究区的地震进行精确定位, 讨论了速度模型对定位结果的影响.然后, 利用地震精定位结果计算了区域内三条地震断面(BB', CC', DD')的几何参数(走向、倾角).其次, 基于该地区丰富的小震P波初动资料, 采用综合震源机制解法反演区域应力场, 并结合断层的几何形状确定滑动性质.最后结合地质构造背景和应力场背景对发震断面进行分析, 获得以下认知: (1)BB'断层走向为245.7°, 倾角为85.6°, 滑动角为167.3°; CC' 断层走向为231.4°, 倾角为88.5°, 滑动角为173.2°; DD' 断层走向为49.6°, 倾角为87.5°, 滑动角为-174.7°, 三条地震断面与落儿岭—土地岭滑动性质一致, 均为右旋走滑.(2)综合震源机制解结果显示, 区域构造应力场呈明显低倾伏角EW向挤压和SN向拉张; 区域应力场在三条断层上产生的相对剪应力及正应力均表明三条断层上的地震事件的发生为构造应力场作用下的正常应变释放, 但受到了预先存在薄弱区的影响.(3)这三条地震断面为磨子潭—晓天断裂的雁列式右旋走滑分支断裂, 商城—麻城断裂带和郯庐断裂带南端右行右阶错动拉分推测为其错动的动力学成因.

     

高温高压下石英方解石断层带的摩擦滑动性状

在不同的温度、压力条件下进行了含石英和方解石断层泥标本的摩擦实验。结果表明,石英断层带的摩擦强度对压力的响应直到400℃都很明显,对温度的响应在高温(高于400℃)时才明显;方解石断层带的摩擦强度对温度很敏感,对围压的响应只在低温(200℃)时才明显;随温度升高,石英和方解石断层带均由粘滑转变为稳滑,但前者的转换界限在400℃到500℃之间,而后者在200℃到300℃之间。显微观察表明,上述差异归因于其具体变形机制的差别。     

侧向应力扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双向伺服控制装置,对含有与最大主压应力σ1呈45°夹角的预切面的花岗闪长岩标本进行了摩擦实验,结果表明,在σ1方向位移速率恒定、侧向应力σ2恒定的条件下,粘滑间隔随滑动面上正应力的增加而增加,粘滑应力降也随滑动面上正应力的增加而呈线性增加。但当σ2叠加了高频小振幅的正弦波扰动时,这种相关性发生了明显的变化,应力降大小和粘滑间隔的离散度均显著提高,特别是应力降可能会大幅度增加。与σ1扰动的实验结果相比,σ2扰动对断层粘滑的影响更为显著,这主要归因于正应力变化使滑动面的非均匀性加剧     

流体对石灰岩断层摩擦滑动影响的实验研究

在气体介质三轴高温岩石力学实验仪器上,采用意大利Scaglia Bianca石灰岩,在温度50~300℃、围压150 MPa,含50 MPa孔隙压、无孔隙压含饱和水和完全干燥三种条件下,开展摩擦滑动实验.实验力学数据和显微结构表明,完全干燥样品在120℃时出现慢滑移,实验样品中没有出现溶解与沉淀.无孔隙压含饱和水条件下,100℃、120℃、150℃条件下出现典型的慢滑移,实验样品中含有微弱的溶解与沉淀;300℃条件下出现黏滑,实验样品中出现沉淀.在含50 MPa孔隙压条件下,50℃时的实验表现为典型的稳滑,实验样品中以溶解为主;在100~150℃时,出现慢滑移,实验样品中以溶解为主,沉淀为辅;在200~300℃时,出现典型黏滑,实验样品中以沉淀为主.实验结果表明,石灰岩断层泥摩擦滑动稳定性随温度变化,受流体中碳酸钙的溶解和沉淀作用控制,因此,流体中矿物质的饱和度这一化学性质对断层带的摩擦强度和摩擦滑动稳定性具有显著影响.

     

孔隙压变化对岩石错动面滑动行为影响的实验研究

应用摩擦实验装置，在法向压力σ＿ｎ＝１０～１２０ＭＰａ下研究了孔隙压变化速率对岩石错动面滑动行为的影响。当孔隙压增压速率较大时，具粘滑振荡特性的岩石错动面仍将发生粘滑振荡，当孔隙压增压速率较小时，错动面发生稳定滑动，当增压速率介于上述两者之间时，错动面则呈粘滑－稳滑转化。以上结果对地震前兆和地震控制研究有重要意义     

共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件的时空演化

设计了共线不连通断层物理模型,在概念上可模拟与地震孕育相关的障碍体或强固区。开展了中等尺度辉长岩标本的双轴破裂实验,对4600余次微破裂事件进行了精确定位,据此对共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件时空演化的统计特征进行初步研究。由于强闭锁作用,变形过程中在98％的峰值强度,以前围绕不连通区域显示一系列在时间上依次递进、空间上逐步收缩、长轴方向随之改变的“空区”演化图像。在峰值强度后的弱化阶段,较大的声发射事件在被动盘明显丛集,而主动盘则小AE事件呈弥散性分布,与弹性变形阶段相比。弱化阶段AE主体活动区域从主动盘迁移至被动盘,并且AE较大事件次数明显增多、应变能释放急剧增加,声发射率在不连通区域破裂前的瞬间达到最高值。b值在不连通区域破裂失稳前显示“趋势性降低—快速回升”这一典型变化过程。对比研究还表明,破裂型失稳较粘滑型失稳具有更为明显、丰富的微破裂前兆。     

均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究

基于均匀和非均匀断层摩擦滑动中应变、断层位移的实验测量结果,分析了粘滑失稳的成核过程。研究表明,在加载点速度恒定的条件下,均匀断层上粘滑的成核过程具有微弱的滑动弱化特征,断层上较小尺度“弱段”的存在使得粘滑成核过程中滑动弱化现象更明显,而较大尺度“弱段”的存在则改变了粘滑的成核过程,表现出局部加速滑动——断层带上剪应力快速增加的特征,更符合速率-状态摩擦定律。断层闭锁期间,剪应力的增加引起断层附近的横向弹性膨胀,这种弹性膨胀在失稳时的回跳引起断层面上正应力的瞬时增加,从而成为使断层迅速闭锁、强度恢复的重要因素。     

隐伏走滑断层破裂扩展特征的实验研究

通过模拟实验研究了基岩中走滑断层在上覆沉积层中的破裂扩展特征,利用白光数字散斑相关方法分析了沉积层表面变形场的演化过程,重点研究了基岩断层位移和沉积层厚度的影响。结果表明,在沉积层厚度一定的情况下,随基岩断层的滑动,沉积层中围绕断层投影线逐渐形成一个变形带以及由张性破裂和剪切破裂组成的破裂带,基岩断层的位移越大,沉积层中的变形带越宽、变形越强烈;但当基岩断层位移超过某一临界值后,变形带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的变形破裂带越宽,即基岩断层的影响范围越大;但当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层的变形发生了变化,沉积层表面并不存在与基岩断层走向一致的变形带,而是发育了较大尺度、与基岩断层走向斜交的张剪性破裂带。实验结果意味着,临界断层位移和临界沉积层厚度对于确定隐伏断层发震产生的地表变形和破坏具有重要意义